Введение к работе
Актуальность темы. Систем дистанционного лазерного зондирования атмосферы (лидары) являются перспективншш средствами исследования атмосферы а плаке изучения процессов погодообразо-вания и контроля за компонентами индустриального происхоидения и itx распространением в атмосфере.
Больше разнообразие задач, решаемых при лазерном зондировании атмосферы разными методами, обуславливает весьма широкий диапазон технических требований, предъявляемых к аппаратуре регистрации лидарных сигналов. Одни» из основных требований является обеспеченно заданной точности измерения параметров атмосферы. В особенности это актуально для метода, использующего явление комбинационного рассеяния (КР) лазерного излучения на молекулах атмосферных газов, поскольку при его использовании к точностным характеристикам фэгорегистрирущей аппаратуры предъявляется наиболее высокие требования. Анализ литературных источников показывает, что наиболее эффективную регкстращш слабых оптических сигналов обеспечивает аппаратура, вкхячаацая фотоэлектронный уияоЕитель (СЗУ), работглцнй в регзшэ счета фотонов, амплитудный дискриминатор и счетчик фотоимпульсов. Основным недостаткам предпринимавшихся рачее попыток разработки фоторегистріфуюцей аппаратуры как для КР - лидзра, так и для лидаров, «спользукдих другие методы зондирования атмосферы, яв--далось отсутствие систешюго подхода, позволяющего выявить и учесть основные факторы, сказнвашїс влияние на точность измерений, и определить технические требования к фоторегистрзфукцей аппаратуре. В связи с этим нересенными или частично ревенными к настоящему времени являются еледукциэ проблемы:
- создание аппаратуры для оперативного исследования характе
ристик С6У в рэлжмэ счета фотонов и разработка методики их
отбора для работы в приеино-кзмэрительЕом тракте КР-лидара;
- теоретическое исследование влияния характеристик приекно-
измерительного тракта НР-лвдара на точность измерения пара
метров атмосферы;
- разработка Фэторегистрируюгей аппаратуры -для решения разных
задач лазерного зондировааия атмосферы. ~~
Ресевие перечисленных вадач составляет основное содержание данной работа
Цеди настоящей работы:
- экспериментальное исследование характеристик разных типов
<ЕЗУ в режиме счета фотонов;
разработка ьйтодїззі отбора ЖЗУ дач «работы е приемпо-їзі-зра-тслзяом тракте КР-лндара;-
построение математической юдели «ЗУ, работаЕчэго в рехая счета фотопов;
исследование злнякия СЭУ ка точность преобразования оптических сигналов в электрические;
разработка амплитудного дискриминатора с учетом фор»гы їіи-пульсоз фототока 39У;
разработка общих принципов функционального построения счетчиков фотоимпульсов для лидаров, работающих з реяиые счета фотонов;
разработка счетчиков фотоимпульсов для решения разных задач лазерного зондирования атмосферы
Общая цель работы заключалась в реализаций систеыного подхода к проблеме разработки и анализа приємно-измеритедько-го тракта КР-лидара, позволяющего выявить и учесть основній факторы, влияющие на точность измерения параметров атмосферы, определить требования к техническим характеристикам элементов тракта и разработать фоторегистрирувдую аппаратуру, обеспечивающую регистрацию лидарных сигналов с заданной точностью.
Науная новизна работы. При выполнении диссертационной работа получены следующие новые результаты:
разработана методика отбора У для работы в приємно-измерительной тракта КР-лидара, позволяющая подобрать <5ЭУ, обеспечивающие задзяяуа точность измерения параметров атмосфера;
впервые предлойэна и ксследозана зосьмипараиетричэская аппроксимация импульсной переходной характеристики (ЕПХ) *ЇЗУ, огралшзщая динамику внутренних физических процессов в . ФЭУ при преобразовании оптических сигналов в электрические в режиме счета фотонов, и позволяются с высокой точностью описать ШК <2ЭУ в области времен 0-10 шес;
предложены общие принципы функционального построения счетчиков фотоимпульсов для решения разных задач лазерного зондирования атмосферы; в соответствии с предлолйнными принципами разработано три типа счетчиков фотоимпульсов для ресе-ния конкретных физических задач;
- с помощью разработанной усилительно-регистрирующей аппара-
туры получены качественно новые, данные о составе и динамике
аэрозольно-газовых выбросов из труб промышленных предприятия и динамике атмосферных процессов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработан автоматизированный стенд для исследования харак-
- Б -тернетик С9У в рзилй счета фотонов, позволяющий оперативно' и с высокой точность» снимать характеристики разных типов ЙЭУ;
разработала кетодкка отбора «ЗУ для работы в пркешю-изме-рктельном тракте КР-лидара, которая позволяет отобрать ФЭУ для работи в спектральних каналах приешю-кзыерителыгого тракта КР-лидара, обеспечивающие требуемую точность измерении, и оптимальным образом вибрать режим питания <КЭУ и порог дискриминации одноэлектронных импульсов (ОЯ);
предлогзны принципы построения усилительно-регистрирующей аппаратуры, позволякщие с учетом особенностей регистрируема сигналов и репаешх физических задач оптимизировать состав и технические характеристики аппаратуры;
разработана усилительно-регистрирующая аппаратура для решения различных задач лазерного зондирования атмосфери, позволяющая проводить регистраціш лидзрных сигналов с высокой точность»,
с помощью разработанной аппаратуры получены новые данные о составе и динамике аэрозольно-газовых выбросов из труб про-кыгшенных предприятий и динамике атмосферных процессов.
На зашиту выносятся сдедушиа основные положения:
- точность измерения параметров атмосферы КР-лидаром зависит
от трех характеристик ЙЗУ - временной зависимости частоты
следования темновых импульсов после включения питания, вре
менной зависимости частоты следования фотоимпульсов после
включения- подсветки и импульсной переходной характеристики;
перечисленные характеристики для какого ССУ является инди
видуальными;
г- ь-етодика отбора ЗУ для работы в приемно-измерительном тракте КР-лидара, позволяющая с погацью специально разработанного, автоматизированного стенда отбирать С8У с характеристикам», при которых обеспечивается" заданная точность из-ікрешія параметров атмосферы;
восысшараметрическая аппроіссимация импульсной переходной характеристики ЗУ, позволяйся аппрексіалировать реальную шшульснуо переходную характеристику с точностью, достаточной для количественной оценки влияния эффекта последействия на результаты лидарньк измерений;
ісетодика определения технических требований к усилитель-но-региетрирувззй аппаратуре лидарпьк систем различного назначения, учитывающая особенности выходных сигналов ЗВУ и специфику рєшаеіяя физических задач;
прккгкение предлояэккоЯ мэтедккя отбора ЭУ и разработанной
- б -
усилительно-регистрирующей аппаратуры позволило полущіть качественно новые данные о составе и динамике азрозоль-но-газовых выбросов из труб промышленных предприятий и о динамике атмосферных процессов. Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены в.Институте оптики атмосферы СО РАЕ Разработанная аппаратура автоматизированного исследования характеристик СЭУ а режиме счета фотонов и методика отбора использовались при выборе Ї9У для работы в составе приємно-измерительных трактов следующих лвдарных систем:
КР-лидара для измерения, температуры и влажности it исследования газовых выбросов на выходах труб промышленных установок;
поляризационного лидара "Стратосфера-ІМ";
лидара с диаметром приемного зеркала 2,2 м для комплексних исследований атмосферы.
Разработанной аппаратурой регистрации ллдарных сигналоа оснащены четыре 'лвдарных системы. - три упомянутые выше, а также лидар с диаметром приемного зеркала 1 и для исследования вертикальной стратификации атмосферного аэрозоля.
Апробация работы. Результаты, изломанные в диссертационной работе, докладывались на },5э;«лународной лидарной конференцій (Сан-Кондндо, Италия, 1989г.), на 10 и 11 симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1389г., 1932г.), на 13 Всесоюзном семинаре по импульсной фотометрии (Москва, 1990г.) я на первой международной конференции "Нано-технология, наноэлектроника и криоэлэктроника (ШК-92)" (Барнаул, 1992г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе: в центральной печати - 4, в местной печати - 4, тезисы докладов на международных конференциях - 2, получено одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ьведзккя, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий обгем диссертации 178 страниц, в том числе 120 страниц машинописного текста, 52 рисунка и 5 фотографий. Список литературы включает 63 наименования на 6 страницах.